LAPPEENRANNAN TEKNILLINEN YLIOPISTO TEKNISTALOUDELLINEN TIEDEKUNTA
TIETOTEKNIIKAN OSASTO
Diplomityö
Mikko Lehtinen
SATELLIITTIPAIKANNUKSEEN PERUSTUVAN
REAALIAIKAISEN JÄLJITYSOHJELMISTON TOTEUTUS
Työn tarkastajat: Prof. Jari Porras DI Ari Happonen
Työn ohjaaja: Prof. Jari Porras
TIIVISTELMÄ
Lappeenrannan teknillinen yliopisto Teknistaloudellinen tiedekunta Tietotekniikan osasto
Mikko Lehtinen
Satelliittipaikannukseen perustuvan reaaliaikaisen jäljitysohjelmiston toteutus
Diplomityö 2010
74 sivua, 20 kuvaa, 8 taulukkoa
Työn tarkastajat: Professori Jari Porras, DI Ari Happonen
Hakusanat: GPS, satelliittipaikannus, jäljitys, paikannus, paikkatieto
Keywords: GPS, satellite navigation, tracking, positioning, geographic information
Satelliittipaikannuksen hyödyntäminen eri sovellusaloilla ja siviilikäytössä on kasvanut merkittävästi 2000-luvulla Yhdysvaltojen puolustusministeriön lopetettua GPS- järjestelmän tarkoituksenmukaisen häirinnän. Langattomien datayhteyksien yleistyminen ja nopeuksien kasvaminen on avannut paikkatiedon käyttämiseksi ja hyödyntämiseksi reaaliaikaisesti uusia mahdollisuuksia. Kustannusten kasvaessa on tehokkaasta liikennöinnistä tullut tänä päivänä erittäin tärkeä osa yritysten päivittäisiä toimintoja.
Ajoneuvojen hallinta on yksi tapa, jolla pyritään tehostamaan logistisia toimintoja ja vähentämään siitä aiheutuvia kustannuksia. Seuraamalla reaaliaikaisesti ajoneuvojen liikennöintiä voidaan pyrkiä saavuttamaan säästöjä optimoimalla aikatauluja ja reittejä sekä uudelleenohjaamalla ajoneuvoja sijaintien mukaan vähentäen näin kuljettua matkaa ja aikaa.
Tässä diplomityössä tavoitteena on tutkia kuinka satelliittipaikannusta, paikkatietoa ja langattomia datayhteyksiä hyödyntämällä voidaan toteuttaa reaaliaikainen jäljitysohjelmisto. Työssä esitellään aluksi paikannustekniikat ja niiden toiminta. Lisäksi tutkitaan kuinka tiedonsiirto voidaan järjestelmässä toteuttaa sekä tarkastellaan järjestelmän kehityksessä huomioitavia tietoturvanäkökohtia. Tutkimuksen pohjalta suunniteltiin ja toteutettiin reaaliaikainen jäljitysohjelmisto kotipalveluyrityksen ajoneuvojen paikannustarpeisiin. Järjestelmän avulla voidaan valvoa ja jäljittää ajoneuvojen sijainteja kartalla reaaliaikaisesti sekä paikantaa tiettyä kohdetta lähimpänä olevat ajoneuvot. Tämä mahdollistaa hälytyksen sattuessa lähimpänä olevan työntekijän lähettämisen asiakaskohteeseen mahdollisimman nopeasti. Järjestelmän avulla käyttäjät voivat lisäksi seurata ajamiaan matkoja ja pitää automaattista ajopäiväkirjaa. Lopuksi työssä arvioidaan toteutetun järjestelmän toimintaa testauksessa saatujen mittaustulosten perusteella.
ABSTRACT
Lappeenranta University of Technology Faculty of Technology Management Department of Information Technology Mikko Lehtinen
Implementing satellite navigation-based real time tracking system
Thesis for the Degree of Master of Science in Technology 2010
74 pages, 20 figures, 8 tables
Examiners: Professor Jari Porras, M.Sc. Ari Happonen
Keywords: GPS, satellite navigation, tracking, positioning, geographic information
Taking advantage of satellite navigation has increased significantly in different applications and in civilian use after United States Department of Defence shut down the selective availability feature of GPS. After the mobile networks have become more common and faster the new possibilities have opened to use geographic information in real time. When costs are rising the effective transportation is playing an important role of companies’ everyday activities. Vehicle management is one way to try to make logistic actions more effective and to try to decrease the costs of transportation. By following the movement of vehicles in a real time it is possible to try to achieve savings in time and distance by optimizing schedules and routes and redirecting vehicles based on their location.
The goal of this work is to study how it is possible by using satellite navigation, geographic information and mobile networks to implement a real time tracking system.
The work focuses at first on navigation systems and the functions and principles of satellite navigation. In addition the aspects of data transfer and data security are considered in designation of system. Based on the research the real time tracking system was designed and implemented for the needs of a home help service company. With the help of the implemented system the locations of the vehicles can be tracked in real time on the map.
The system makes also possible to track nearest vehicles of some specific target. This allows system users to send nearest worker to customer’s location if an alarm is caused. In addition the system users can follow their tracks and keep automatic logbook of their driving. Lastly the system’s behavior is analyzed in this work based on the measured results in the testing phase.
SISÄLLYSLUETTELO
TIIVISTELMÄ ABSTRACT
SISÄLLYSLUETTELO 1
LYHENNELUETTELO 3
1 JOHDANTO 6
1.1Tavoitteet ja rajaukset 6
1.2Työn rakenne 7
2 PAIKANNUSJÄRJESTELMÄT 8
2.1Paikkatieto 8
2.2GPS-järjestelmän rakenne ja signaalit 9
2.3Satelliittipaikannuksen toimintaperiaate 11
2.4Ensimmäinen paikkatieto ja avustettu GPS 12
2.5Paikannuksen tarkkuus ja virhelähteet 14
2.6GPS:n laajennukset 16
2.7GPS-järjestelmän tulevaisuus 17
2.8Muut satelliittipaikannusjärjestelmät 18
2.9Reaaliaikainen paikannus 19
2.9.1 Reaaliaikapaikannus paikallisella alueella 20
2.9.2 Reaaliaikapaikannus laajalla alueella 22
3 TOIMINNALLISET VAATIMUKSET JA JÄRJESTELMÄN SUUNNITTELU 24
3.1Käyttötapaus 24
3.2Järjestelmän keskeiset vaatimukset 25
3.3Järjestelmän rakenne ja arkkitehtuuri 26
3.3.1 Paikkatiedon välitys 27
3.3.2 Kuljetuskerroksen protokolla 29
3.3.3 Sovelluskerroksen protokolla 31
3.4Tietokanta 34
3.5Käyttäjien oikeudet 35
3.6Tietoturva 35
3.6.1 Verkkoliikennöinnin turvallisuus 36
3.6.2 Tietokannan turvallisuus 36
3.6.3 Web-sovellusten turvallisuus 38
4 JÄRJESTELMÄN TOTEUTUS 41
4.1Toteutuksessa käytetyt tekniikat 41
4.1.1 Java 41
4.1.2 JavaScript 42
4.1.3 HTML 42
4.1.4 CSS 43
4.1.5 XML 43
4.1.6 SQL 43
4.2Palvelinsovellus 44
4.3Asiakassovellus 46
4.3.1 Paikkatiedon lukeminen GPS-vastaanottimelta 47
4.3.2 Käyttöliittymä 48
4.4Valvontasovellus 52
5 TESTAUS JA TULOKSET 54
5.1Testauksessa käytetty laitteisto 54
5.2Tietoliikenteen toimivuus 55
5.3Sovellusten suorituskyky 57
5.4Käytettävyys ja järjestelmän jatkokehitys 61
6 JOHTOPÄÄTÖKSET 64
LÄHTEET 66
LYHENNELUETTELO
2G Second Generation 3G Third Generation
A-GPS Assisted Global Positioning System AOA Angle of Arrival
API Application Programming Interface AVL Automated Vehicle Locating CDMA Code Division Multiple Access CSS Cascading Style Sheets
DGPS Differential Global Positioning System DOM Document Object Model
DOP Dilution of Precision
EDGE Enhanced Data rates for Global Evolution
EGNOS European Geostationary Navigation Overlay Service GDOP Geometric Dilution of Precision
GIS Geographic Information System
GLONASS Global'naya Navigatsionnaya Sputnikovaya Sistema, Global Navigation Satellite System
GPGGA Global positioning system fixed data
GPGSA GPS dilution of precision and active satellites GPGSV GPS Satellites in View
GPRMC Recommended minimum specific GPS/TRANSIT data GPRS General Packet Radio Service
GPS Global Positioning System
GSM Global System for Mobile Communication HDOP Horizontal Dilution of Precision
HTML Hypertext Markup Language HTTP Hyper Text Transfer Protocol
HTTPS Hyper Text Transfer Protocol Secure ICS Imperial College of Science
IP Internet Protocol LTO Long Term Orbit
MD5 Message-Digest algorithm 5 MCS Master Control Station
Navstar Navigation System using Timing and Ranging NMEA The National Marine Electronics Association PDOP Positional Dilution of Precision
PHP PHP: Hypertext Preprocessor POI a Point of Interest
PPS Precise Positioning Service PRN Pseudo Random Noise
RFID Radio Frequency Identification RSS Received Signal Strength RTLS Real Time Locating System SA Selective Availability
SIM A Subscriber Identity Module SPS Standard Positioning Service SQL Structured Query Language SSL Secure Socket Layer
TCP Transmission Control Protocol TDOP Time Dilution of Precision TOA Time of Arrival
TTFF Time To First Fix UDP User Datagram Protocol
UMTS Universal Mobile Telecommunications System URL Uniform Resource Locator
USB Universal Serial Bus UWB Ultra Wide Band
VDOP Vertical Dilution of Precision W3C World Wide Web Consortium WAAS Wide Area Augmentation System WBAN Wireless Body Area Network WLAN Wireless Local Area Network WPAN Wireless Personal Area Network
WWW World Wide Web
XML Extensible Markup Language XSS Cross Site Scripting
YOURS Yet another OpenStreetMap Route Service
1 JOHDANTO
Satelliittipaikannuksen sovellukset ovat lisääntyneet voimakkaasti 1990-luvulta lähtien.
Aluksi satelliittipaikannusta käytettiin lähinnä sotilaskäytössä mutta 2000-luvun alusta lähtien yhä kasvavissa määrin myös siviilikäytössä. Tunnetuin satelliittipaikannusjärjestelmä varmastikin maailmanlaajuisesti on amerikkalaisten kehittämä GPS-järjestelmä (Global Positioning System). Yhä useammin elektronisten laitteiden osana onkin tänä päivänä GPS-paikannin. Monilla meistä kulkee mukana päivittäin satelliittipaikannin integroituna matkapuhelimessa, jonka avulla voimme hyödyntää paikkatietoa, kuten etsiä sijaintimme kartalla tai sijainnin perusteella jonkin tietyn lähimmän palvelun.
Käyttäjämäärien kasvaessa 2000-luvulla, on GPS-vastaanottimien ja paikkatiedon hyödyntämisestä tullut sovelluskehittäjien kannalta yksi tärkeä mielenkiinnon kohde.
Mobiiliverkot ja datayhteydet ovat mahdollistaneet paikkatiedon hyödyntämisen yhä monipuolisemmilla sovellusaloilla. Langattomien datayhteyksien yleistyttyä, voidaan paikkatietoa hyödyntää reaaliaikaisesti, mikä on usein tärkeää kriittisissä sovelluksissa, joissa on tarvetta hyödyntää sijaintitietoa nopeasti. Tässä diplomityössä onkin tarkoitus hyödyntää reaaliaikaista paikkatietoa ja toteuttaa järjestelmä, jossa GPS-järjestelmän, mobiiliverkkojen ja datayhteyksien avulla voidaan jäljittää ajoneuvoja reaaliaikaisesti.
1.1 Tavoitteet ja rajaukset
Työn tavoitteena on tutkia kuinka satelliittipaikannusta, paikkatietoa ja langattomia datayhteyksiä hyödyntämällä voidaan toteuttaa reaaliaikainen jäljitysohjelmisto. Tämän pohjalta päätavoitteena on suunnitella ja toteuttaa järjestelmä, jonka avulla voidaan jäljittää kohde ja seurata sitä reaaliaikaisesti kartalla. Lisäksi toteutettavan järjestelmän avulla tulee voida hakea kiinteää kohdetta, kuten rakennusta, lähinnä olevia seurattavia kohteita, esimerkiksi ajoneuvoja, ja näyttää näiden etäisyys kiinteään kohteeseen. Järjestelmän avulla tulee voida myös pitää kirjaa seurattavien kohteiden kulkemista reiteistä sekä matkoista. Järjestelmä toteutetaan kotipalveluyrityksen tarpeisiin ja sen avulla pyritään helpottamaan ja tehostamaan liikkuvien ajoneuvojen ja työntekijöiden seurantaa ja nopeuttamaan työntekijöiden saamista asiakaskohteeseen hälytyksen sattuessa. Järjestelmä
toteutetaan rakenteeltaan kuitenkin sellaiseksi, että se on käytettävissä muuallakin, missä tarvitaan vastaavia ominaisuuksia. Työn toteutus rajataan koskemaan yleisesti saatavilla olevia kuluttajaluokan laitteita niin GPS-vastaanottimien kuin muun laitteiston osalta, joilla järjestelmä toteutetaan ja kaikki testaukset sekä mittaukset suoritetaan. Työn tavoitteina on lisäksi selvittää toteutettavan järjestelmän toiminnan taustalla olevan GPS-järjestelmän rakenne ja satelliittipaikannuksen toimintaperiaate sekä paikannuksen tarkkuuteen vaikuttavat virhelähteet. Tavoitteena on myös selvittää kuinka tiedonsiirto voidaan toteuttaa turvallisesti järjestelmän eri osien välillä niin, että ulkopuoliset eivät pääsisi tietoihin käsiksi. Järjestelmän tietoturvan kannalta pohditaan tietokantaan sekä web- sovelluksiin vaikuttavia ja toteutuksessa huomioitavia tekijöitä.
1.2 Työn rakenne
Diplomityön rakenne jakautuu niin, että ensin teoriaosassa tutustutaan kappaleessa kaksi paikannustekniikoihin ja selvennetään tarkemmin GPS-järjestelmän rakenne ja satelliittipaikannuksen teoreettinen toiminta. Kuinka sijainnin määrittäminen tapahtuu ja miten järjestelmä toimii. Lisäksi kappaleessa kaksi selvennetään paikannuksen virhelähteet ja GPS:n tarkkuuden parantamiseen liittyvät käsitteet ja tekniikat kuten DGPS (Differential Global Positioning System), WAAS (Wide Area Augmentation System) ja EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay Service) sekä esitellään GPS-järjestelmän modernisointisuunnitelmat ja muut satelliittipaikannusjärjestelmät. Lopuksi kappaleessa kaksi käsitellään reaaliaikaista paikannusta niin laajalla alueella kuin paikallisella tietyllä rajatulla alueella. Kappale kolme käsittelee järjestelmän suunnittelua, jossa esitellään vaatimukset toteutettavan järjestelmän rakenteelle ja arkkitehtuurille sekä pohditaan tietoturvanäkökohtia. Kappaleessa neljä esitellään toteutuksessa käytetyt tekniikat sekä esitellään järjestelmään toteutetut eri sovellukset. Kappaleessa viisi käydään läpi testaus ja analysoidaan testauksessa saatujen tulosten perusteella järjestelmän toimivuutta. Lopuksi kappaleessa kuusi esitellään johtopäätökset työn ja testauksen pohjalta.
2 PAIKANNUSJÄRJESTELMÄT
Nykyisen satelliittipaikannuksen historian voidaan katsoa alkavan vuodesta 1973, jolloin Yhdysvaltain puolustusministeriö teki päätöksen ilmavoimien uuden paikannusjärjestelmän tilaamisesta. Uusi järjestelmä sai nimekseen Navigation System using Timing and Ranging (Navstar) Global Positioning System (GPS). Ensimmäinen järjestelmän satelliitti laukaistiin jo vuonna 1978 mutta järjestelmä oli vuoteen 1984 saakka pelkästään Yhdysvaltojen puolustusministeriön käytössä. Huhtikuussa 1995 GPS:n julistettiin olevan operatiivisesti täysin valmis, jolloin järjestelmä koostui 24 satelliitista.
Suurin yksittäinen mullistus satelliittipaikannuksessa tavallisten kuluttajien kannalta tapahtui kuitenkin 1.5.2000, jolloin Yhdysvaltain puolustusministeriö sulki siviilikäyttöön suunnatun paikannussignaalin tarkoituksenmukaisen häirinnän SA:n (Selective Availability). Tämän jälkeen siviilikäyttöön tarkoitettujen paikantimien (ei avustettujen / lisäinformaatiota saavien) virhe putosi satojen metrien sijasta 5-10 metrin luokaan [MIE06][ADR02]. SA:n lopettaminen mahdollisti GPS-järjestelmän laajamittaisen leviämisen ja tarkan paikkatiedon hyödyntämisen sekä mm. nykyaikaisten autonavigaattoreiden kehittämisen.
2.1 Paikkatieto
Paikkatiedolla (Geographic Information) tarkoitetaan tietoa, johon liittyy maantieteellinen sijainti. Se on tietoa kohteista, joiden paikka Maan suhteen tunnetaan [GEO05]. Kuvattava tieto eli niin sanottu ominaisuustieto voi olla lähes mitä tahansa, kuten ilman lämpötila, liikennemerkki tai korkeus merenpinnasta. Paikkatietoa siitä tulee kuitenkin vasta, kun sille annetaan sijaintitieto. Sijaintitieto voi viitata yhteen pisteeseen, jota voidaan ilmaista koordinaattitietona. Monien meistä usein käyttämää paikkatietoa ovat digitaaliset kartta- ja rekisteriaineistot, jotka kuvaavat luontoa sekä rakennettua ympäristöä. Tiedot maastosta, ympäristöstä ja sen tilasta, luonnonvaroista ja maankäytöstä ovat paikkatietoa. Paikkatieto voi kuvata myös jotakin ilmiötä tai toimintaa, jonka sijainti tunnetaan.
Ominaisuustietojen ja sijaintitietojen yhdistämisen tuloksena syntyy siis paikkatietoa, joka muodostaa paikkatietoaineiston. Paikkatietoaineiston voi muodostaa esimerkiksi taulukko, johon on talletettu tietyn maantieteellisen alueen kaikkien rakennusten sijaintitiedot ja ominaisuustietona jokaisen rakennuksen pinta-ala. Paikkatietoaineiston käsittely tapahtuu
nykyisin tietokonepohjaisissa järjestelmissä, joita kutsutaan paikkatietojärjestelmiksi (Geographic Information System, GIS). Paikkatietojärjestelmissä paikkatiedot talletetaan tietokantoihin, joita tietokoneilla voidaan tarkastella esimerkiksi visuaalisena karttaesityksenä. Vaikka GIS suoranaisesti viittaa paikkatietoa käsittelevään tietojärjestelmään, pitää se kuitenkin sisällään tarvittavan tekniikan ohella kaiken, mitä paikkatiedon hyödyntämiseen tarvitaan, kuten aineistot, työkalut sekä käyttäjän.
Paikkatietoa käytetään hyväksi monilla aloilla, kuten suunnittelussa ja tutkimuksessa.
Tavalliselle kuluttajalle paikkatieto on tuttua monista Internetin karttapalveluista ja esimerkiksi autonavigaattoreista. Navigaattoreissa auton sijainti paikannetaan satelliittipaikantimen määrittämien koordinaattien avulla. Nämä koordinaatit ovat paikkatietoon liitettävää sijaintitietoa. Navigaattorin kuvaruudulla näkyvä tieverkko puolestaan esittää navigaattoriin ladattua paikkatietoaineistoa. Tieverkon lisäksi navigaattoriin voidaan ladata esimerkiksi autopesuloiden, tankkausasemien, hotellien jne.
sijaintia ilmaisevat koordinaatit, joista useimmiten käytetään lyhennettä POI (a Point of Interest). Ominaisuustietoina näihin voitaisiin puolestaan liittää palveluiden aukioloajat ja hintatiedot ja esimerkiksi hotellien tapauksessa reaaliaikainen tieto huoneiden saatavuudesta.
2.2 GPS-järjestelmän rakenne ja signaalit
GPS-järjestelmä koostuu kolmesta pääosasta (kuva 1): avaruusosa (space segment), valvontaosa (control segment), ja käyttäjäosa (user segment). Avaruusosa koostuu satelliiteista, jotka lähettävät navigointiviestit käyttäjäosalle. Tällä hetkellä (toukokuu 2010) avaruusosaan kuuluu yhteensä 32 satelliittia, joista toiminnassa on 31 [USN10].
GPS-satelliitit kiertävät maapalloa kuudella ratatasolla eli kiertoradalla, joiden väli on 60 astetta ja kulma päiväntasaajaan nähden 55 astetta. Maapallon pinnalta etäisyys kiertoradoille on keskimäärin 20 183 kilometriä ja satelliitit kiertävät maapallon kaksi kertaa vuorokaudessa. Tarkan kiertoajan ollessa 11 tuntia ja 58 minuuttia eli yksi tähtivuorokausi. Valvontaosa koostuu maailmanlaajuisesta verkosta, johon kuuluu keskusasema (Master Control Station, MCS), joka valvoo ja ohjaa järjestelmän toimintaa, sekä maa-asemista, jotka seuraavat ja valvovat tapahtumia taivaalla. Maa-asemat keräävät tietoa mm. satelliittien liikkeistä ja välittävät tiedot keskusasemalle prosessoitavaksi.
Prosessoinnin tuloksena saadaan laskettua ennustettu satelliitin navigointidata, joka sisältää mm. satelliitin kelloparametrit, almanakkatiedon ja satelliitin ratatiedot, joista voidaan laskea satelliitin tarkka sijainti. Tämä tuore navigointitieto lähetetään maa-asemille ja nämä maa-asemat puolestaan lähettävät tuoreet tiedot satelliiteille, jotka päivittävät omat tietonsa. Tämän jatkuvan seurannan ja päivittämisen kautta GPS-järjestelmän paikannustarkkuutta saadaan ylläpidettyä ympärivuorokautisesti läpi vuoden. [ELR02]
Kuva 1. GPS-järjestelmän osat.
GPS-järjestelmä tarjoaa määrityksensä mukaisesti kaksi eri palvelua: SPS-palvelun (Standard Positioning Sercive) ja PPS-palvelun (Precise Positioning Service). SPS-palvelu [GPS95] on tarkoitettu siviilikäyttöön ja se on kaikille avoin toimittaen satelliiteista siviilisignaalia L1 kaikkien vapaaseen käyttöön. PPS-palvelun toimittama L2-signaali puolestaan on tarkoitettu vain sotilas- ja viranomaiskäyttöön. GPS-järjestelmässä käytetään CDMA-koodaustekniikkaa (Code Division Multiple Access) signaalien koodaamiseen, mikä tarkoittaa sitä, että kaikki satelliitit lähettävät samoilla taajuuksilla. Kukin satelliitti lähettää tietoa kahdella eri taajuudella: L1 (1575,42 MHz) ja L2 (1227,60 MHz), joista L2 on salauksen vuoksi käytettävissä vain PPS-palvelussa. Siviilipaikantimet siis hyödyntävät vain L1-signaalia. Molempia signaaleja hyödyntämällä voidaan PPS-palvelussa ionosfäärin aiheuttamat aikaviiveet korjata ja päästä näin tarkempaan sijainnin määrittämiseen.
Käyttäjäosa Valvontaosa
Avaruusosa
GPS-signaali
Lähetyssignaali Vastaanottosignaali
2.3 Satelliittipaikannuksen toimintaperiaate
GPS:n, kuten muidenkin satelliittipaikannusjärjestelmien, toiminta perustuu satelliittien ja vastaanottimien välisen radiosignaalin kulkuajan mittaamiseen ja pseudo- eli näennäisetäisyyksien laskentaan. Näitä laskettuja etäisyyksiä kutsutaan näennäisetäisyyksiksi, koska laskettu radiosignaalin kulkuaika sisältää aina jonkin asteisen kellovirheen. Radiosignaalin kulkuaika, josta etäisyys lasketaan, saadaan mitattua PRN- koodin (Pseudo Random Noise) avulla. Sekä vastaanotin että satelliitti muodostavat kumpikin samaan aikaan täsmälleen samaa ns. valesatunnaista PRN-koodia. Kun verrataan satelliitilta vastaanotettua koodia ja vastaanottimen omaa koodia, voidaan niiden välillä laskea aikaero kuvan 2 mukaisesti. Tämä ero on yhtä suuri kuin signaalin kulkuaika satelliitista vastaanottimeen ja kun tämä aikaero kerrotaan valonnopeudella tyhjiössä, saadaan paikantimen ja satelliitin välinen etäisyys.
Kuva 2. Aikaeron mittaus. [AIR07]
Satelliitit voidaan nähdä avaruudessa kiintopisteinä, joiden sijainti tunnetaan tarkasti.
Jokaisen satelliitin oma tarkka fyysinen sijainti avaruudessa on laskettavissa kyseisen satelliitin lähettämän navigointiviestin osana olevista efemeridi- eli ratatiedoista.
Vastaanotin laskee itse oman sijaintinsa näiden vastaanotettujen rataparametrien sekä aikamittausten perusteella. Tarkempi kuvaus satelliitin paikan laskemisesta rataparametrien perusteella löytyy lähteestä [POU07, s.131-165]. Kun kolmen satelliitin paikka tunnetaan ja vastaanottimen välinen etäisyys näihin lasketaan, voidaan vastaanottimen sijainti määrittää kolmiomittaukseen eli trilateraatioon perustuen (kuva 3) [AIR07]. Yhdestä satelliitista laskettu etäisyys rajaa havaitsijan oman paikan jonnekin pallopinnalle, joka on lasketun etäisyyden päässä kyseisestä satelliitista (kuva 3a). Kun etäisyys tunnetaan toiseen
satelliittiin, voidaan havaitsijan paikka rajata kahden pallon avaruuteen muodostamalle leikkauspinnalle eli ympyrän kehälle (kuva 3b). Kun etäisyys tunnetaan vielä kolmanteen satelliittiin, saadaan kolmas pallopinta, joka leikkaa aiemmin muodostuneen ympyrän kehän kahdessa pisteessä (kuva 3c), joista toinen on paikantimen sijainti käytännössä.
Toinen pisteistä voidaan hylätä, jos oletetaan laitteen sijaitsevan maan pinnalla, sillä toinen näistä pisteistä voi määritellä vastaanottimen sijainnin korkeudelle, joka on satelliittejakin kauempana maan pinnasta tai vaihtoehtoisesti hyvin syvälle maan sisälle. Koska paikantimen oma kello on huomattavasti epätarkempi kuin satelliittien atomikellot, on se helposti väärässä ajassa, jolloin syntyy kellovirhe, jonka vuoksi vastaanotin ja satelliitti eivät muodosta kuvan 2 mukaisesti PRN-koodia samanaikaisesti. Sen vuoksi tarvitaan vielä neljäs satelliitti, jonka avulla paikannin pystyy ratkaisemaan oikean ajan ja kompensoimaan kellovirheen [AIR07]. Tarkempi matemaattinen kuvaus eräästä tavasta vastaanottimen sijainnin laskemiseksi löytyy mm. Yamaguchin julkaisusta [YAM06].
Kuva 3. Havaitsijan sijainnin määrittäminen GPS-järjestelmässä. [AIR07]
2.4 Ensimmäinen paikkatieto ja avustettu GPS
Ensimmäisellä paikkatiedolla tarkoitetaan GPS-laitteen antamia ensimmäisiä kelvollisia koordinaatteja sen käynnistämisen jälkeen. TTFF:llä (Time To First Fix) eli ensimmäisen
paikkatiedon saantinopeudella tarkoitetaan puolestaan aikaa, joka GPS -laitteella kuluu sen nykyisen sijainnin määrittämiseen laitteen käynnistämishetkestä mitaten. GPS-laitteen käytettävyyden kannalta paikkatiedon saantinopeudella on suuri merkitys, jotta ensimmäisiä koordinaatteja ja sijaintitietoa ei tarvitsisi odotella useita minuutteja.
Ensimmäisen paikkatiedon saannin nopeuttamiseksi on kehitetty avustettu GPS. Avustetun GPS:n periaatteena on nopeuttaa TTFF:ää siirtämällä avustustietoa tietoverkon, esimerkiksi matkapuhelinverkon välityksellä suoraan GPS-laitteen muistiin. Avustustieto voi olla avustuspalvelimesta ja A-GPS (Assisted GPS) vastaanottimesta riippuen mm.
almanakka-, efemeridi-, tai aikatietoa [KEM07]. Avustustieto voi olla myös ns.
raakapositiotietoa, jolloin ensimmäinen sijainti saadaan esimerkiksi matkapuhelinverkon solutunnistuksen perusteella.
Paikkatiedon saannin nopeuttamiseksi avustetussa GPS:ssä ratatiedot voidaan ladata satelliitin tuottaman signaalin sijasta palveluntarjoajan A-GPS palvelimelta, jolla on tiedot valmiiksi vastaanotettuna satelliiteilta. Tällöin vastaanotin voi saada efemeriditiedot huomattavasti nopeammin käyttöönsä, kuin odottelemalla niitä satelliiteilta, jotka lähettävät tietoa ainoastaan 50 bps nopeudella. Mikäli aktiivista datayhteyttä ei ole saatavilla, on olemassa vaihtoehto, jossa GPS-vastaanottimeen ladataan ennalta lasketut ratatiedot. Tähän perustuvat Offline A-GPS ratkaisut hyödyntävät LTO-teknologiaa (Long Term Orbit), jolloin satelliittien ratatiedot on laskettu etukäteen useamman päivän, esimerkiksi kahden viikon, ajaksi ja ne ladataan palveluntarjoajalta tietoverkon välityksellä GPS-laitteeseen [LUN05]. Esilasketut tiedot tulevat sitä epätarkemmiksi mitä pidemmän ajan ne ovat päivittämättä. Esilaskettujen tietojen etuna on, ettei laitteen tarvitse välttämättä olla jatkuvasti yhteydessä tietoverkkoon. Molemmissa A-GPS tekniikoissa vastaanotin kuitenkin käynnistyksen jälkeen vastaanottaa satelliiteilta aivan normaalisti tarkan efemeriditiedon ja vastaanotettuaan siirtyy käyttämään sitä. Avustetusta GPS:stä on suurin hyöty kun ollaan vaikeissa ympäristöissä, esimerkiksi urbaanilla alueella, jolloin signaalien kuuluvuus satelliitteihin voi olla rajoitettu. Tällä tekniikalla voidaan päästä kyseisissä vaikeissakin olosuhteissa alle kymmenen sekunnin lämminkäynnistysaikoihin [LEH08] verrattuna tavalliseen noin 30 sekunnin aikaan. Tällä hetkellä A-GPS tekniikat ovat kuitenkin hyvin valmistajakohtaisia ja sidottuja pelkästään heidän omiin tuotteisiinsa.
Tämä tarkoittaa käytännössä sitä, että järjestelmien yhteensopivuus ei ole millään tavalla taattua, jolloin avustustieto tulee ladata aina laitteen valmistajan omalta palvelimelta.
2.5 Paikannuksen tarkkuus ja virhelähteet
Tarkkuus on aina ollut yksi tärkeimmistä kysymyksistä satelliittipaikannuksessa ja sitä on GPS-järjestelmässä tutkittu useissa tutkimuksissa. Vuonna 2005 tehdyssä tutkimuksessa [WIN05] tutkittiin kuluttajaluokan laitteiden tarkkuutta suorittamalla mittauksia erilaisissa ympäristöissä. Tutkimuksen tuloksena todettiin, että käyttäjät voivat odottaa sijainnin tarkkuutta noin viiden metrin sisällä todellisesta pisteestä avoimella taivaalla, 7 m nuoressa metsikössä ja 10 m suljetun tiheän latvuston alla. Tutkimus suoritettiin havupuiden hallitsemassa metsässä läntisessä Oregonissa. GPS:n tarkkuutta kaupunkiympäristössä tieliikennöinnin näkökulmasta on puolestaan tutkittu Lontoon ICS:n (Imperial College of Science) tekemässä tutkimuksessa [OCH02]. Tutkimuksen tuloksena todetaan, että suurin osa Lontoon keskustassa ajetun reitin pisteistä osuu 20 metrin sisälle tien todellisesta keskipisteestä. Yleisesti on tiedossa, että kaupunkiympäristö ja sen aiheuttamat heijastukset ovat GPS-laitteille haastavampi paikka kuin avoin maasto, mikä selittää tarkkuuseroa avoimessa maastossa tehtyihin tutkimuksiin.
Näiden tutkimusten perusteella voidaan sanoa, että GPS-paikannusta käyttämällä kyetään avoimessa maastossa pääsemään yleisesti noin 5 metrin tarkkuuteen ja kaupunkimaisessa ympäristössä noin 10-20 metrin tarkkuuteen todellisesta sijainnista. Satelliittipaikannuksen tarkkuus voi kuitenkin vaihdella huomattavasti olosuhteista ja ympäristöstä riippuen.
Maapallon ilmakehä on yksi tekijöistä, joka aiheuttaa virheitä satelliittipaikannuksen tarkkuuteen. Ilmakehä voi muuttaa radiosignaalien kulkemaa matkaa sekä todellisesti että näennäisesti. Tästä seuraa enemmän viivettä, joka vääristää GPS-laitteen laskemaa paikantimen ja satelliitin välistä etäisyyttä. Alempana ilmakehässä olevan troposfäärin vaikutus virheeseen on hyvin pieni verrattuna ylempänä olevan ionosfäärin aiheuttamaan virheeseen (taulukko 1).
Satelliitin itsensä aiheuttamia virheitä paikannukseen ovat sen kellovirhe sekä ratatietojen epätarkkuus. Satelliitin atomikelloon jäävät hyvin pienet virheet aiheuttavat keskimäärin noin metrin luokkaa olevan virheen paikannukseen [GPS01]. Satelliittien ratatietoihin puolestaan virhettä aiheuttavat gravitaatiovoimat, jonka vuoksi satelliittien radoissa pienet muutokset ovat mahdollisia. Satelliitin lisäksi itse GPS-vastaanotin voi aiheuttaa virheen paikannuksen tarkkuuteen. Tällöin puhutaan vastaanottimen kohinasta aiheutuvasta virheestä, joka johtuu laitteen elektroniikasta ja signaalinkäsittelyn epätarkkuuksista.
Lisäksi epätarkkuutta voi syntyä laitteen laskiessa pitkiä lukusarjoja ja tehdessä pyöristyksiä laskutoimitusten välillä. Näiden lisäksi monitie-eteneminen voi aiheuttaa paikantimen laskemaan sijaintiin useiden kymmenien metrien suuruisen virheen. Virheen suuruus riippuu kuitenkin täysin ympäristöstä. Monitie-etenemisen aiheuttaa satelliitin lähettämän signaalin heijastuminen jostakin vastaanottimen lähistöllä olevasta objektista, jonka vuoksi vastaanotin voi havaita suoraan satelliitista tulevan signaalin sijasta heijastuneen ja viivästyneen signaalin.
Taulukko 1. GPS-paikannukseen virhettä aiheuttavien tekijöiden keskimääräisiä suuruuksia. [GPS01]
Virhelähde Keskimääräinen virhe (RMS)
Ionosfääri 7,00 m
Satelliitin kello 1,43 m
Vastaanottimen kohina 0,80 m
Satelliitin rata 0,57 m
Troposfääri 0,25 m
Edellä esitettyjen pseudoetäisyyksien mittaamiseen virhettä aiheuttavien tekijöiden lisäksi paikannustarkkuuteen vaikuttaa satelliittigeometria. Yksinkertaistettuna satelliittigeometria kuvaa satelliittien sijaintia toisiinsa nähden vastaanottimen näkökulmasta eli sitä kuinka hajallaan satelliitit ovat taivaalla vastaanottimen sijainnista katsottuna. Hyvällä satelliittigeometrialla tarkoitetaan tilannetta, jossa vastaanottimesta katsottuna satelliitit, joita käytetään sijainnin laskemiseen, ovat jakautuneet tasaisesti hajalleen eri puolille taivasta, kuten kuvassa 4 vasemmalla. Huono satelliittigeometria taas syntyy, kun satelliitit ovat joko pienellä alueella hyvin lähellä toisiaan tai muodostavat suoran linjan yhdessä vastaanottimen kanssa (kuva 4 oikealla). Tilanteen voi aiheuttaa esimerkiksi kaupunkialueella navigoitaessa korkeat rakennukset. Mitä suurempi on satelliittien sisään jäävä tilavuus, sitä parempi satelliittigeometria ja sitä parempaan paikannustarkkuuteen voidaan päästä. Satelliittigeometrian vaikutusta mittaustarkkuuteen kuvataan yleisesti DOP-luvuilla (Dilution of Precision). Mitä pienempi DOP-luku on, sitä parempi on satelliittigeometria ja sen pienempi on vaikutus mittaustarkkuuteen eli DOP luvun suuruus on kääntäen verrannollinen geometrian paremmuuteen. Yleisesti ottaen hyvänä DOP- arvona pidetään lukuarvoja, jotka ovat alle 5 ja huonoina arvoja jotka ovat yli 8. DOP- lukujen tarkempi matemaattinen määrittely ja laskentakaavat on esitelty lähteessä [ZHO06].
Eri käyttötarkoituksiin on määritelty erilaisia DOP-lukuja:
GDOP (Geometric Dilution Of Precision): kokonaistarkkuus, 3D-koordinaatit ja aika
PDOP (Positional Dilution Of Precision): sijainnin tarkkuus, 3D-koordinaatit
HDOP (Horizontal Dilution Of Precision): horisontaalinen tarkkuus, 2D- koordinaatit (pituus- ja leveyskoordinaatit)
VDOP (Vertical Dilution Of Precision): vertikaalinen tarkkuus, korkeus
TDOP (Time Dilution Of Precision): ajan tarkkuus
Kuva 4. Satelliittigeometria. [AIR07]
2.6 GPS:n laajennukset
Satunnaisten virheiden, kuten ilmakehän, vaikutuksen poistamiseksi GPS-järjestelmän rinnalle on kehitetty menetelmiä, joilla paikannusta ja paikkatiedon tarkkuutta voidaan parantaa. DGPS on yksi tällainen GPS-järjestelmän laajennus, jossa käytetään hyväksi kiinteitä tukiasemia. DGPS:n toiminta perustuu kahden GPS-vastaanottimen käyttöön, joista toisen vastaanottimen (tukiaseman) sijainti tunnetaan tarkasti. Koska tukiaseman sijainti tiedetään tarkasti, pystyy se laskennallisesti päättelemään satelliittien ratatietojen ja oman sijaintinsa perusteella etäisyydet havaittuihin satelliitteihin. Kun se samalla myös mittaa etäisyydet normaalin paikantimen tavoin, saadaan mitatun ja lasketun etäisyyden erotuksena selville etäisyyksiä häiritsevien virheiden suuruus eli differentiaalikorjaus.
Differentiaalikorjaukset välitetään GPS-vastaanottimille radiotien välityksellä.
Korjaustiedon avulla vastaanotin voi korjata omia pseudoetäisyysmittauksia sekä määrittää sijaintinsa tarkemmin perustuen todellisiin etäisyyksiin.
WAAS ja EGNOS tarjoavat samankaltaista korjaustietoa perustuen referenssiasemiin kuin edellä esitelty DGPS-järjestelmäkin. Erotuksena WAAS:lla ja EGNOS:lla DGPS- järjestelmään on se, että korjaustieto välitetään GPS vastaanottimille satelliittien kautta maassa olevien lähettimien sijasta. Satelliittien välityksellä tarjottava korjaussignaali mahdollistaa suuremman peittävyyden kuin maateitse tapahtuva siirto radiotien välityksellä. WAAS-järjestelmän kahden satelliitin tarjoaman korjaustiedon käyttö on ollut mahdollista vuodesta 2001 lähtien Pohjois-Amerikassa (kuva 5), jonka yllä järjestelmän molemmat satelliitit sijaitsevat. EGNOS-järjestelmään puolestaan kuuluu kolme satelliittia, joiden signaalit ovat vastaanotettavissa Euroopan alueella. Kaksi satelliiteista lähettää tällä hetkellä hyödynnettävissä olevaa signaalia ja yksi satelliiteista on vain teollisuuden testikäytössä. EGNOS järjestelmä siirtyi lokakuun 2009 alussa operatiiviseen vaiheeseen, jolloin sen avoin palvelu tuli kaikkien käytettäväksi. GPS-korjaustiedon lisäksi EGNOS- järjestelmässä lähetettävä tieto tulee olemaan yhteensopivaa Eurooppalaisen Galileo- satelliittipaikannusjärjestelmän kanssa. Satelliittiavusteisen korjaustiedon myötä on mahdollista päästä hyvin suureen tarkkuuteen kuten vuonna 2005 tehty tutkimus osoittaa [WIT05]. Kyseisessä tutkimuksessa WAAS:n avulla mediaanipoikkeama oli vain 0,37 metriä tunnetulta reitiltä, kun taas poikkeama WAAS päältä pois kytkettynä oli 4,8 m.
Kuva 5. WAAS- ja EGNOS- järjestelmien peittoalue. [ESA03]
2.7 GPS-järjestelmän tulevaisuus
GPS-järjestelmää pyritään kehittämään ja parantamaan jatkuvasti, jotta myös siviilikäyttäjille voitaisiin tarjota entistä parempaa paikannustarkkuutta. Modernisoinnin
ensimmäisessä vaiheessa tarjotaan uusi L2C-signaali (1227.6 MHz), jonka tarkoituksena on mahdollistaa myös siviilikäytössä ionosfäärin aiheuttaman aikaviiveen korjaus.
Ensimmäinen tätä signaalia tukeva satelliitti lähetettiin syyskuussa 2005 ja tällä hetkellä (4.5.2010) kyseisiä satelliitteja on taivaalla kahdeksan. L2C-signaali on tarkoitus ottaa käyttöön vuoden 2011 aikana, jonka jälkeen sen hyödyntäminen on mahdollista.
Seuraavassa vaiheessa siviilipaikannukseen tullaan tarjoamaan L5-signaali (1176,45 MHz), joka tulee olemaan yhteensopiva Galileo- ja GLONASS-järjestelmien (Global'naya Navigatsionnaya Sputnikovaya Sistema, Global Navigation Satellite System) kanssa. L5- signaalia tullaan lähettämään korkeammalla teholla ja laajemmalla taajuuskaistalla kuin nykyisiä GPS-signaaleja. Ensimmäisen L5-signaalia tukevan satelliitin laukaisu on ajoitettu tapahtuvaksi vuoden 2010 aikana ja signaalin käyttöönotto on tarkoitus tapahtua vuoden 2015 aikana. Kolmannen sukupolven satelliittien myötä tullaan tarjoamaan vielä kolmas uusi siviilipaikannukseen tarkoitettu signaali, L1C (1575,25 MHz), joka tulee olemaan yhteensopiva nykyisen L1-signaalin kanssa. Tätä signaalia tullaan myös lähettämään suuremmalla teholla ja tarkoituksena on tämän lisäksi parantaa yhteensopivuutta Galileo-järjestelmän kanssa [USA06]. Ensimmäinen Block III-satelliitti on tarkoitus laukaista vuonna 2014 ja järjestelmässä odotetaan olevan 24 toimivaa kolmannen sukupolven satelliittia vuonna 2021.
2.8 Muut satelliittipaikannusjärjestelmät
GPS-järjestelmän lisäksi on kehitetty muitakin toimintaperiaatteeltaan samanlaisia satelliitteihin perustuvia paikannusjärjestelmiä. Näistä GLONASS (Global'naya Navigatsionnaya Sputnikovaya Sistema, Global Navigation Satellite System) on Neuvostoliiton kehittämä satelliittipaikannusjärjestelmä, joka on tällä hetkellä Venäjän käytössä. GLONASS järjestelmä tarjoaa GPS-järjestelmän tavoin kaksi erityyppistä navigointisignaalia: maailman laajuiseen siviilikäyttöön tarkoitetun signaalin (standard accuracy signal) sekä sotilaskäyttöön tarkoitetun signaalin (high accuracy signal).
[GLO08] GLONASS saavutti täydellisen toiminnallisen tilan tammikuussa 1996 jolloin paikannukseen oli käytettävissä 24 satelliittia. Venäjän taloudelliseen tilanteeseen liittyvien ongelmien vuoksi järjestelmässä oli vain 7 toiminnassa olevaa satelliittia tammikuussa 2001. Tämän jälkeen Venäjän hallitus teki uuden kansallisen ohjelman vuosille 2002-2011 GLONASS-järjestelmän palauttamiseksi toimintakuntoon. Tällä hetkellä (toukokuu 2010)
järjestelmään kuuluu 23 satelliittia, joista toiminnassa on 21 [GLO10]. Täysi toiminnallinen kyky 24 satelliitilla on tarkoitus saavuttaa vuoden 2010 loppuun mennessä [INS10].
Galileo on eurooppalainen satelliittipaikannusjärjestelmä, joka on kehitetty alusta alkaen ei-sotilaalliseen käyttöön ja se on suunniteltu yhteistoiminnalliseksi GPS-järjestelmän kanssa. Täydessä toiminnassa olevassa järjestelmässä tulee olemaan kolmella radalla yhteensä 30 satelliittia, jotka ovat 56-asteen kulmassa päiväntasaajaan nähden, mikä takaa paremman peittoasteen pohjoisille leveysasteille kuin GPS-järjestelmä. [ALK05] Alun perin järjestelmän piti olla täydessä toiminnassa vuoden 2008 aikana [VEJ07] mutta hanke on viivästynyt useaan otteeseen ja ensimmäisten neljän operatiivisen satelliitin laukaisu on tarkoitus aloittaa vuoden 2010 lopussa. Loppujen 26-satelliitin, joiden avulla saavutetaan täysi toiminnallinen tila, laukaisu on tarkoitus aloittaa heinäkuussa 2012 [INS10a]. Galileo satelliitit tulevat lähettämään yhteensä kymmentä eri signaalia kolmella eri taajuusalueella [VEJ07]. Näistä signaaleista kaksi tulee olemaan yhteensopivia GPS-järjestelmän L1- ja L5-signaalien kanssa. Näiden kymmenen eri signaalin avulla Galileo-järjestelmässä on tarkoituksena tarjota viisi erilaista palvelua, joista avoin palvelu tulee olemaan kaikkialla signaalien kuuluvuusalueella vapaasti hyödynnettävissä. [ZAI06] [ESA07]
Compass-järjestelmä (tunnetaan myös nimellä Beidou-2) on kiinalainen projekti, jonka tarkoituksena on kehittää itsenäinen paikannusjärjestelmä. Compass on myös GPS:a sekä Galileota vastaava satelliittipaikannusjärjestelmä. Compass:n on tarkoitus koostua 35 toiminnallisesta satelliitista, joiden on tarkoitus mahdollistaa tarjottavien palvelujen kattavuus ympäri maapallon. Kuten GPS-järjestelmässäkin, on Compass:ssa tarkoitus tarjota kahta eri tason palvelua: avoin ja rajoitettu. Avoin palvelu on tarkoitettu kaikkien käyttöön ilmaiseksi ja rajoitettu palvelu on tarkoitettu käytettäväksi sotilaallisiin tarkoituksiin. Compass-projektissa on tähän mennessä laukaistu kolme satelliittia ja koko järjestelmän on tarkoitus olla valmiina ja toiminnassa vuoteen 2020 mennessä.
2.9 Reaaliaikainen paikannus
Reaaliaikainen paikannusjärjestelmä RTLS (Real Time Locating System) tarkoittaa kansainvälisen määrityksen [ISO06] mukaan järjestelmää, joka tarjoaa tiedon omaisuuden
sijainnista jatkuvasti ja tasaisin väliajoin. Samaisen määrityksen mukaan RTLS on yhdistelmä langattomia laitteita ja reaali-aikaohjelmistoja, joita käytetään jatkuvasti määrittämään ja tarjoamaan omaisuuden ja resurssien sijainti. Yleisemmällä tasolla RTLS voidaan kuitenkin nykyisin määritellä tarkoittamaan järjestelmää, jonka avulla voidaan havaita kohteen, joka voi olla mitä tahansa autoista tai esineistä ihmisiin, nykyinen sijainti reaali-aikaisesti. Tyypillisesti RTLS koostuu langattomista solmuista (kohteista joita paikannetaan), joita kutsutaan tageiksi ja jotka lähettävät signaalin langattomasti eteenpäin.
RTLS-tekniikaa käytetään useissa sovelluksissa, joista esimerkkejä ovat (ajoneuvo)laivaston jäljitys/seuranta (fleet tracking), varaston ja omaisuuden jäljitys (asset tracking) ja henkilöiden jäljitys. Nykyiset RTLS-järjestelmät perustuvat langattomiin teknologioihin kuten WLAN (Wireless Local Area Network), Bluetooth, UWB (Ultra Wide Band), RFID (Radio Frequency IDentification) ja GPS.
2.9.1 Reaaliaikapaikannus paikallisella alueella
Paikallisella, tietyllä rajatulla alueella, esimerkiksi yrityksen sisätiloissa tapahtuvaan reaaliaikapaikannukseen, voidaan käyttää erilaisia langattomia tekniikoita. RFID on yksi tällaisista tekniikoista, joka nimensä mukaisesti on radiotaajuuteen perustuva etätunnistusmenetelmä. Sitä käytetään yleisesti kohteiden tunnistamiseen mm.
viivakoodien sijasta sekä tiedon keräämiseen, esimerkiksi välittämään lämpötilatietoa kohteesta, johon tagi on kiinnitetty. RFID:tä voidaan myös pelkän kohteiden identifioinnin lisäksi käyttää niiden sijainnin paikantamiseen. RFID:n avulla paikannuksessa tarkkuuden osalta voidaan päästä noin 2-3 metrin luokkaan [KOU07]. Aktiivisen RFID-tagin toimintaetäisyys on maksimissaan noin 100 metrin luokkaa.
UWB-tekniikka määritellään langattomaksi tekniikaksi, jossa signaalin kaistanleveyden suhde signaalin keskitaajuuteen on suurempi kuin 20 % tai kaistanleveys on vähintään 500MHz [DOM03]. UWB-tekniikka mahdollistaa erittäin nopeat langattomat datayhteydet niin sanotuilla WPAN- (Wireless Personal Area Network) sekä WBAN-alueilla (Wireless Body Area Network). Tämän lisäksi UWB-tekniikka sopii myös erittäin tarkkaan paikannukseen ja sen avulla onkin mahdollista päästä jopa millimetrien tarkkuuteen [DEP10]. UWB-tekniikan kantavuus kuitenkin rajoittuu maksimissaan noin kymmeneen metriin.
Langattomia WLAN-lähiverkkoja voidaan käyttää myös reaaliaikaiseen paikannukseen.
Tämän etuna on kyseisen tekniikan laajalle levinnyt käyttö ja jo olemassa olevat verkot.
WLAN-laitteiden käyttämisen paikantamiseen mahdollistaa jokaisen sovittimen sisältämä toiminto, jonka avulla signaalin vahvuus voidaan mitata. RSS:ään (Received Signal Strength) perustuvan mittauksen tarkkuutta kuitenkin rajoittaa esimerkiksi monitie- etenemisen ja signaalin kohinan aiheuttamat virheet. WLAN-paikannuksen avulla voidaan päästä alle kolmen metrin tarkkuuteen, mikäli jäljitettävä kohde ei ole liikkeessä [HAK06].
Virhe voi kuitenkin kasvaa kohteen liikkuessa kymmeneen metriin tai suuremmaksi [HAK06].
Paikantaminen näillä edellä esiteltyjen langattomien radioverkkojen avulla perustuu kuvan 6 esittämiin peruskomponentteihin. Paikantamiseen tarvitaan kiinteitä referenssipisteitä, joiden sijainti tunnetaan. Tarvittavien referenssipisteiden lukumäärä riippuu käytettävästä tekniikasta. Tällaisia pisteitä ovat usein langattoman verkon tukiasemat (base station).
Paikannettava kohde puolestaan sisältää tagin, jossa on radiolähetin, joka paikannetaan radiosignaalien perusteella. Paikantaminen ja sijainnin tarkka laskeminen tietyllä rajatulla alueella perustuvat pääasiassa kolmeen metodiin, joita ovat RSS, AOA (Angle of Arrival) ja TOA (Time of Arrival) [GUY09]. RSS perustuu saapuvan signaalin vahvuuden, AOA saapumiskulman ja TOA saapumisajan mittaamiseen. Näistä RSS ja TOA vaativat kolmen referenssipisteen, kuten tukiaseman, sijainnin tuntemisen. AOA-tekniikka puolestaan tarvitsee vain kaksi referenssipistettä. TOA on näistä tarkin metodi ja sen avulla voidaan sisätiloissa välttää monitie-etenemisen aiheuttamat virheet [GUY09].
Kuva 6. Langattoman paikannusjärjestelmän peruskomponentit. [TUC05]
2.9.2 Reaaliaikapaikannus laajalla alueella
Reaaliaikaiseen paikantamiseen laajalla alueella käytetään apuna GPS-järjestelmää, jonka etuna on maailmanlaajuinen kattavuus ja jonka avulla voidaan muodostaa oma versio RTLS-tekniikasta. GPS-vastaanotin ei suoranaisesti itse voi muodostaa osaa RTLS:ssa, sillä GPS-vastaanottimen sijaintia ei voida ulkopuolisilla laitteilla lukea langattomasti eikä se itse lähetä tietoa. GPS-vastaanotin siis tarvitsee aina, jonkin tekniikan ja laitteen avukseen, joka muodostaa langattoman siirtotien ja jonka avulla vastaanottimesta luettava sijainti voidaan lähettää eteenpäin. Kun GPS-vastaanotin on yhdistetty langattoman siirtotien tarjoavaan laitteeseen, voidaan näiden yhdessä katsoa muodostavan RTLS- järjestelmään kuuluvan ja jäljitettävissä olevan tagin.
Useimmiten, kun GPS:n avulla jäljitetään reaaliaikaisesti ajoneuvoja, käytetään termiä AVL (Automated Vehicle Locating) tai puhutaan (ajoneuvo)laivaston hallinnasta (fleet management), joka on yksi AVL:n tyypillinen käyttötapaus. AVL:llä voidaan myös tarkoittaa järjestelmää, jossa on kiinteitä pisteitä, esimerkiksi havaintoportteja, joiden läpi ajettaessa ajoneuvo tunnistetaan jonkin tunnisteen perusteella ja sen sijainti välitetään eteenpäin havaintoporttien toimesta. Laivaston hallinnalla tarkoitetaan yrityksen ajoneuvolaivaston hallintaa järjestelmän avulla, johon sisältyy satelliittipaikannus sekä tiedon välitys sovellukselle, joka kerää, käsittelee ja tallettaa tiedon. Ajoneuvojen hallinta voi sisältää toimintoja kuten ajoneuvojen ylläpito, telematikka (jäljitys, diagnostiikka), kuljettajien hallinta, polttoaineen kulutuksen seuranta ja turvallisuuden hallinta. Laivaston hallinta on toiminto, jonka avulla yritykset, joiden toiminta perustuu ajoneuvokuljetuksiin, voivat yrittää kasvattaa kuljetusten tehokkuutta, tuottavuutta tai vähentää liikennöintikuluja.
Ajoneuvojen hallinnassa peruskomponentti, josta kaikki lähtee liikkeelle, on ajoneuvojen jäljitykseen käytettävä laite. Tavallisesti tämä peruskomponentti on GPS:ään perustuva paikannin, mutta joissakin tapauksissa se voi olla esimerkiksi matkapuhelimen solupaikannukseen perustuva järjestelmä. Kun GPS-järjestelmän avulla on havaittu ajoneuvon nopeus, suunta ja sijainti, välitetään tämä tieto ajoneuvohallintaohjelmiston käsiteltäväksi. Tavallisesti tiedot välitetään matkapuhelinverkon välityksellä, mikä on luonnollinen valinta GSM-verkon (Global System for Mobile Communication) hyvin suuren maailmanlaajuisen kattavuuden osalta. Kun siirrettävän tiedon määrä ei ole suuri,
voidaan GPRS-tekniikan (General Packet Radio Service) tarjoaman nopeuden, joka käytännön tasolla on noin 5kt/s [CHA05] [STU02] [SVO07], katsoa olevan riittävä. GPS- paikannukseen ja GPRS-verkon käyttöön perustuvan reaaliaikaisen jäljityksen toimintaperiaate, johon myös tässä työssä toteutettava järjestelmä perustuu, on esitetty tarkemmin kuvassa 7:
1. Maata kiertävät GPS-satelliitit lähettävät radiosignaaleja.
2. Jäljitettävä kohde sisältää GPS-vastaanottimen, joilla satelliittien lähettämät radiosignaalit voidaan havaita, joiden perusteella kohteen sijainti, nopeus ja suunta saadaan laskettua.
3. Jäljitettävä kohde välittää sijaintitiedot langattoman verkon, esimerkiksi GPRS- tai 3G-verkon (Third Generation), välityksellä.
4. Sijaintitiedot välitetään palvelimelle käsiteltäväksi.
5. Asiakas/käyttäjä yhdistää Internet-verkon välityksellä palvelimelle.
6. Palvelin lähettää sijaintiedot käyttäjälle esimerkiksi HTML-sivun (Hypertext Markup Language) muodossa, joka esittää jäljitettävän kohteen sijainnin kartalla.
Kuva 7. Reaaliaikaisen GPS-jäljityksen toimintaperiaate.
5 2
3
Palvelin
GPS 1
4
6
Internet GPRS
3 TOIMINNALLISET VAATIMUKSET JA JÄRJESTELMÄN SUUNNITTELU
Ennen varsinaista suunnittelua määriteltiin järjestelmän keskeiset toiminnalliset vaatimukset tulevan käyttökohteen tarpeiden perusteella. Näiden vaatimusten perusteella järjestelmää lähdettiin suunnittelemaan. Koska järjestelmän toiminta perustuu suurelta osin julkisen tietoverkon, Internetin, käyttöön, perehdytään tässä luvussa myös tietoturvaan liittyviin kysymyksiin ennen varsinaista toteutusta. Tällä pyrittiin ottamaan huomioon, että järjestelmän tiedot eivät vuotaisi ulkopuolisten saataville tai muokattavaksi.
3.1 Käyttötapaus
Jäljitysohjelmiston suunnittelun pohjalla oleva käyttötapaus liittyy kotipalveluyrityksen tarpeisiin paikantaa työntekijöiden sijainti reaaliaikaisesti työpäivän aikana.
Kotipalveluyritys, jonka tarpeisiin järjestelmä kehitetään, tarjoaa kotipalveluja vanhuksille ja huonokuntoisille. Kotipalveluyrityksessä on aina ympäri vuorokauden vähintään yksi henkilö valvomossa/toimistolla päivystämässä siltä varalta, että tulee hälytys. Hälytyksen aiheuttaa asiakas, joka on painanut hälytysrannekkeensa nappia, mikä avaa puhelinyhteyden kotipalveluyrityksen valvomoon päivystäjälle. Valvomossa nähdään puhelinnumeron perusteella, mistä kohteesta hälytys tulee. Tämän jälkeen päivystäjä hälyttää jonkun työvuorossa olevista työntekijöistä hälytyksen tehneen luokse, mikäli siihen on tarvetta.
Hälytyksen sattuessa ongelmana kotipalveluyrityksessä on se, että valvomossa ei tiedetä missä tarkalleen ottaen kukin työntekijä on menossa omaa asiakaskierrostaan. Valvomossa olijan täytyy näin ollen soittamalla käydä läpi mahdollisesti useitakin vuorossa olevia työntekijöitä lähettääkseen joku, mahdollisimman lähellä oleva vapaa työntekijä, hälytyksentekijän luokse. Tämän perusteella päivystys-/valvomovuorossa olisi kätevää, jotta näkisi reaaliaikaisesti missä kohden yrityksen kukin ajoneuvo ja työntekijä ovat liikenteessä ja tietäisi kenellä on kiireellisissä tapauksissa nopein reitti paikalle perustuen teitä pitkin kuljettuihin etäisyyksiin.
3.2 Järjestelmän keskeiset vaatimukset
Käyttötapauksen pohjalta järjestelmälle asetettiin keskeiset toiminnalliset vaatimukset.
Järjestelmän tuli toimia yleisesti saatavilla olevilla kuluttajaluokan laitteilla ja komponenteilla. Kehitettävästä järjestelmässä tulee olemaan kolme eri pääosaa:
asiakasohjelma, joka tulee liikkuvaan kohteeseen työntekijöiden käyttöön, valvontaohjelma päivystykseen sekä palvelinohjelma tietojen välittämiseen ja tallentamiseen. Asiakasohjelman (client) tulisi toimia Windows käyttöjärjestelmällä ja laitteistona, jolle ohjelma toteutetaan, olisi ns. minikannettava. Tämä järjestely sen vuoksi, että suunnittelun lähtökohtana oleva yritys aikoo ottaa asiakastieto-ohjelmistonsa käyttöön tietokoneille, jotka asennetaan yrityksen ajoneuvoihin. Näin työntekijöillä eli hoitohenkilökunnalla on aina mobiiliyhteyden avulla ajantasaiset asiakastiedot saatavilla (mm. hoitotiedot, lääkitys, kunkin vuoron asiakaskäynnit ja mitä käynneillä on tarkoitus tehdä). Lisäksi asiakaskäyntejä ei tarvitse käydä erikseen kirjaamassa toimistolla, vaan ne voidaan tehdä paikan päällä. Alla on lueteltuna kullekin sovellukselle asetetut toiminnalliset vähimmäisvaatimukset:
Asiakasohjelma
Toimii Windows XP ja Windows 7 –käyttöjärjestelmillä
Käyttöliittymän oltava toimiva 1024x600 resoluutiolla
Lähettää automaattisesti paikkatiedot palvelimelle
Keskustelumahdollisuus (chat) muiden järjestelmään kirjautuneiden työntekijöiden sekä valvomon kanssa.
Karttaikkunassa nähtävillä oma sekä muiden ajoneuvojen sijainti reaaliaikaisesti
Karttaikkunassa nähtävillä yrityksen toimitilat sekä asiakaskohteet
Mahdollisuus lisätä omia yksityisiä kohteita sekä kaikille näkyviä, kuten asiakaskohteita, kartalle
Karttaikkunassa myös näkyvillä päiväys, kello, nopeus, ajettu matka sekä matkan kesto
Mahdollisuus hakea palvelimelta omat ajetut matkat (ajopäiväkirja)
Mahdollisuus muokata omien ajettujen matkojen tietoja, kuten ajon tarkoitusta
Mahdollisuus muokata omia järjestelmään talletettuja yhteystietoja
Tietojen turvallinen välitys palvelimen kanssa
Valvontaohjelma
Näyttää kartalla kaikkien ajoneuvojen sijainti
Käyttöliittymän oltava toimiva 1280x960 ja sitä suuremmilla resoluutioilla
Mahdollisuus hakea valittua kohdetta lähinnä olevat ajoneuvot/työntekijät ja näyttää kunkin matka kohteeseen
Mahdollisuus lähettää viestejä työntekijöille (keskustelu eli chat -toiminto)
Järjestelmänvalvoja käyttäjätasolla mahdollisuus hakea kaikkien ajetut matkat ja reitit (ajopäiväkirja)
Järjestelmänvalvoja käyttäjätasolla käyttäjien ja ajoneuvojen lisäys
Tietojen turvallinen välitys palvelimen kanssa
Palvelin
Kapasiteettia vähintään 20:lle yhtäaikaiselle liikkuvalle ajoneuvolle
Tallettaa tiedot tietokantaan (mm. ajoneuvot, käyttäjät, ajetut reitit)
Välittää viestit valvomo- ja asiakasohjelmille
Käyttäjien kirjautuminen ja uloskirjautuminen. Pääsy järjestelmään vain tunnistautuneille käyttäjille.
Käyttäjätasot (käyttäjä/ järjestelmänvalvoja), joiden avulla pääsy vain käyttäjätason sallimiin tietoihin
Tietojen turvallinen välitys asiakasohjelman sekä valvontaohjelman kanssa
3.3 Järjestelmän rakenne ja arkkitehtuuri
Järjestelmän rakenteen suunnittelun perusteena toimivat edellä asetetut vaatimukset sekä kuvan 7 mukainen reaaliaikaisen paikannuksen toimintamalli. Järjestelmän rakenteen perustana toimii keskitetty asiakas-palvelin-malli (kuva 8), jossa järjestelmän palvelin toimii keskitettynä pisteenä, joka yhdistää kaikki palvelun käyttäjät. Palvelimen tehtävänä on välittää liikenne asiakassovellusten sekä valvontasovelluksen kesken sekä tallettaa tiedot tietokantaan. Web-palvelin toteutetaan palvelinohjelman sisälle ja sitä käytetään ainoastaan asiakasohjelmalle esitettävän karttasivun muodostamiseen ja lähettämiseen.
Kuva 8. Jäljitysohjelmiston rakenne.
3.3.1 Paikkatiedon välitys
Satelliittipaikannukseen käytettäväksi teknologiaksi on käytännössä mahdollista valita kuluttajalaitteita käytettäessä vain GPS-teknologia. Kuten luvussa 2.8 esitettiin, ovat muut satelliittipaikannusteknologiat vasta kehitysvaiheessa, eikä niiden täysimittainen hyödyntäminen ole kuluttajalaitteilla tällä hetkellä (toukokuu 2010) mahdollista.
Tulevaisuudessa käyttäjillä voi olla mahdollisuus valita eri teknologioita paikannukseen tai näiden yhdistelmiä.
Paikkatiedon saamiseksi asiakasohjelman täytyy lukea GPS-vastaanottimen tuottamaa tietovirtaa. GPS-vastaanottimet kommunikoivat NMEA0183-standardin [NME0183]
mukaisesti, joka on alun perin NMEA:n (The National Marine Electronics Association) kehittämä määrittely, joka kuvaa rajapinnan merenkulussa ja veneilyssä käytettävien elektronisten laitteiden välille. Tämä määrittely mahdollistaa kyseisiä laitteita lähettämään
Asiakas- ohjelma
Palvelin- ohjelma
Tietokanta
Web- palvelin
Web-selain -komponentti
Valvonta- ohjelma
Web-selain -komponentti GPS-vastaanotin
SQL
NMEA0183
Internet
(TCP)
HTTP GPRS
Järjestelmän oma sovellustason protokolla
tietoa muille merielektroniikan laitteille sekä tietokoneille. Laitteet kommunikoivat keskenään standardin mukaisesti ASCII-merkeistä koostuvina tekstimuotoisina lauseina.
Jokainen näistä lauseista alkaa $-merkillä ja loppuu telanpalautus- ja rivinvaihtomerkkiin (CR LF). Aikaisemmin laitevalmistajilla saattoi olla omia standardejaan, mutta tänä päivänä käytännössä kaikki GPS-vastaanottimet antavat ulos NMEA-standardin mukaista dataa. Riippuen laitteen asetuksista ja ominaisuuksista, voi laite antaa ulos tietyn määrän lausekokonaisuuksia sekunnissa. Tavallisimmin kuluttajaluokan laitteissa päivitysväli on kerran sekunnissa. Taulukossa 2 on eriteltynä yksi esimerkki NMEA0183-standardin mukaisesta lauseesta. Kyseinen lause on GPRMC-lause (Recommended minimum specific GPS/TRANSIT data), joka sisältää pienimmän suositellun määrän tietoa navigointiin.
Kaikki NMEA-lauseet, jotka alkavat etuliitteellä GP, kuvaavat GPS-järjestelmän vastaanottimen lauseita.
Taulukko 2. NMEA0183 –standardin mukainen GPS-järjestelmän RMC-lause eriteltynä.
$GPRMC,064834.400,A,6103.5166,N,02811.4994,E,0.09,175.02,160210,,,A*69
Kenttä Kentän nimi Yksikkö Selite
$GPRMC Data type Lauseen tietotyyppi
064834.400 UTC time of fix hhmmss.ssss
A Data status A=active (valid position) tai V=Void
6103.5166 Latitude of fix astetta Leveysaste: 61 astetta, 03.5166 minuuttia
N N or S of longitude Pohjoinen tai eteläinen leveys
02811.4994 Longitude of fix astetta Pituusaste: 28 astetta, 11.4994 minuuttia
E E or W of longitude Itäinen tai läntinen pituus
0.09 Speed over ground solmua
175.02 Course over Ground astetta
160210 UTC date of fix ddmmyy
E or W of magnetic variation astetta
Mode indicator A=Autonomous, D=Differential,
E=Estimated, N=Data not valid
A*69 Checksum
<CR><LF> Lauseen loppu
GPS-vastaanottimien laiteliitäntä on suunniteltu täyttämään NMEA-standardin vaatimukset. Liitäntänä laitteissa käytetään RS-232 -standardin mukaista tietoliikenneporttia, joka tunnetaan yleisemmin sarjaporttina tai COM-porttina. Koska kaikissa nykyisissä laitteissa ja tietokoneissa ei kyseistä porttia enää ole, käytetään virtuaalisia sarjaportteja sekä sovittimia, jolla sarjaporttiin kytkettävä laite voidaan liittää
USB-porttiin (Universal Serial Bus), langattomasti Bluetooth-tekniikan avulla tai kannettavissa tietokoneissa korttipaikka-adapterilla. Useimmiten erilliset GPS- vastaanottimet liitetään tänä päivänä kuitenkin langattoman Bluetooth -tekniikan avulla tietokoneeseen. Bluetooth sisältää sarjaportti profiilin (Serial Port Profile), joka määrittelee protokollat ja toiminnot sarjaporttiemulaatiota käyttäville Bluetooth-laitteille. Tämän avulla kyseistä profiilia käyttävä laite voidaan liittää virtuaaliseen sarjaporttiin ja lukea tietoa siitä aivan kuin tietoa luettaisiin tavallisesta sarjaportista.
Kuvassa 9 esitetään suunniteltua sijaintitiedon kulkua toteutettavassa järjestelmässä aina GPS-vastaanottimelta tietokantaan ja valvontaohjelmalle. Kun asiakasohjelma lukee GPS- vastaanottimen lähettämän datan ja käsittelee sen, lähettää se tiedot palvelimelle, joka tallettaa tiedot tietokantaan sekä välittää ne valvontaohjelmalle. Näin valvomossa tiedetään välittömästi mm. kunkin ajoneuvon koordinaatit ja viimeisimmän sijainnin havaintoaika.
Varsinainen karttaesitys ajoneuvojen sijainneista ladataan järjestelmään toteutettavalta web-palvelimelta.
Kuva 9. Sijaintitiedon välitysketju.
3.3.2 Kuljetuskerroksen protokolla
Koska järjestelmän toiminta perustuu yhtenä tärkeänä osana asiakasohjelmien (mukaan lukien valvontaohjelma) ja palvelimen väliseen tiedonsiirtoon, on tähän tarkoitukseen valittava tiedonsiirtotekniikka. Koska asiakasohjelman on sijainnistaan huolimatta pystyttävä olemaan yhteydessä palvelimeen, on tiedonsiirtoverkon toimintavaatimuksena mahdollisimman laaja alue. GPRS-tekniikka kykenee vastaamaan tähän vaatimukseen,
GPS-vastaanotiin Asiakasohjelma Palvelin Tietokanta
Valvontaohjelma
sillä sen kuuluvuusalue1 Suomessa on sama kuin GSM-verkossa. Paremman suorituskyvyn ja nopeuden tarjoaa 3G-verkko uudemman UMTS-tekniikan (Universal Mobile Telecommunications System) avulla. Tämä tekniikka ei kuitenkaan ole tuettu kaikissa mobiililaitteissa, eikä sen kuuluvuusalue ole lähellekään koko GSM-verkon laajuinen vaan se kuuluu lähinnä kaupunkialueilla. Koska järjestelmässä asiakaskohteita voi olla muuallakin kuin 3G-verkkojen alueella, mitoitetaan järjestelmän toimivuus GPRS- tekniikan tarjoamiin ominaisuuksiin nähden, joihin kuuluu noin 5kt/s nopeus käytännön tasolla. GPRS, tiedonsiirtotekniikkana, perustuu IP-protokollaan (Internet Protocol), jonka käyttöön koko Internet-verkko myös perustuu. IP on taulukossa 3 esitetyn TCP/IP- viitemallin (Transmission Control Protocol) verkkokerroksen protokolla, joka huolehtii IP- pakettien toimittamisesta perille pakettikytkentäisissä Internet-verkoissa. TCP/IP mallissa verkkokerroksen päällä toimii kuljetuskerros ja sen protokollat. Yleisesti käytettyjä protokollia kuljetuskerroksella ovat TCP ja UDP (User Datagram Protocol), joista TCP on hallitsevassa asemassa tiedonsiirrossa Internet-maailmassa [MIN09]. Näiden protokollien perusominaisuuksien eroavaisuuksia käsitellään seuraavaksi, jonka perusteella järjestelmässä käytetty protokolla valitaan.
Taulukko 3. TCP/IP-malli TCP/IP-malli
Sovelluskerros (Application Layer) Kuljetuskerros (Transport Layer) Verkkokerros (Internet Layer) Peruskerros (Link Layer)
Koska järjestelmää käytetään langattoman verkon välityksellä, jossa kuuluvuus voi paikoitellen olla heikko, mikä voi aiheuttaa virheitä tiedonsiirtoon, tulisi tiedonsiirtoon käytettävän protokollan olla mahdollisimman varmatoiminen. TCP on luotettavaan tiedonsiirtoon kehitetty protokolla, jonka avulla tietokoneet voivat lähettää tietoa tiedonsiirtoverkon välityksellä. TCP:n voidaan sanoa olevan de-facto standardi yhteyspainotteisessa ja luotettavassa tiedonsiirrossa [PET03]. TCP-protokolla myös huolehtii pakettien perillemenosta sekä siitä, että paketit saapuvat oikeassa järjestyksessä perille. Mikäli paketti katoaa matkalla vastaanottajalle, TCP-protokolla huomaa tämän ja yrittää uudelleenlähetystä. TCP-yhteyden avaaminen sisältää kolme vaihetta, jota kutsutaan
1 esimerkiksi Elisan matkapuhelinverkon kuuluvuusalue: http://www.elisa.fi/kuuluvuus/
kolmisuuntaiseksi kättelyksi. Itse TCP-yhteys koostuu kokonaisuudessaan myös kolmesta vaiheesta: yhteyden muodostus, tiedon siirto ja yhteyden katkaisu.
UDP eroaa edellä esitellystä TCP:stä usealla tavalla. TCP:stä poiketen UDP on yhteydetön protokolla, jossa pakettien perillemenoa lähetyspäästä vastaanottopäähän ei varmisteta.
UDP:tä käytetään yleisesti reaaliaikaisen videon ja äänen välittämiseen, jossa yksittäisen paketin katoaminen tiedonsiirron aikana ei ole niin kriittistä [PET03]. Koska UDP on yhteydetön protokolla, ei siinä TCP:n tavoin muodosteta alkukättelyä, pakettien kuittausta eikä yhteydenlopetuskäytäntöä. Näin ollen tarvittava tiedonsiirtomäärä on pienempi kuin TCP-protokollaa käytettäessä. Myös paketin otsikkokenttä on UDP-paketissa pienempi kuin TCP-paketissa. UDP:n otsikkokenttä on 8-tavun ja TCP-paketin 20-24 tavun mittainen riippuen määritellyistä optioista. UDP-protokollaa käytettäessä ei myöskään voida olla varmoja pakettien saapumisesta perille oikeassa järjestyksessä eli samassa järjestyksessä kuin ne on lähetetty.
Vaikka UDP-protokollaa käytettäessä siirrettävän tiedon määrä on pienempi, johtuen yhteydettömyydestä sekä pienemmistä otsikoista, on langattomissa verkoissa TCP kuitenkin varmempi ratkaisu. TCP:n avulla mahdollistetaan järjestelmässä pakettien varmatoiminen perillepääsy. Tämän vuoksi se valitaan järjestelmän kuljetusprotokollaksi.
3.3.3 Sovelluskerroksen protokolla
Sovellusten väliseen tiedonsiirtoon on järjestelmään määriteltävä myös oma protokolla, jonka avulla erityyppiset viestit ovat erotettavissa toisistaan. Protokollaksi määritellään yksinkertainen tekstipohjainen protokolla. Kuten edellä todettiin, kuljetuskerroksen protokollaksi valittiin TCP, jonka päällä järjestelmän oma sovellustason protokolla tulee toimimaan. Määriteltävän protokollan avulla on kyettävä toteuttamaan järjestelmään tarvittavat toiminnot tiedonvälityksen kannalta.
Jäljitysohjelmistossa käytettävän protokollan perusrakenne on esitetty taulukossa 4.
Erityyppisiä toimintoja varten ja niiden erottamiseksi toisistaan jokaisen paketin alussa on viestin tunniste. Viestin tunniste (Message ID) on kahdesta merkistä eli kahdesta tavusta koostuva tunniste. Toteutettavassa järjestelmässä tullaan käyttämään tunnisteena
pelkästään numeroita. Mikään ei kuitenkaan estäisi käyttämästä, merkkipohjaisen protokollan ollessa kyseessä, kirjaimia viestin tunnisteena. Mikäli kirjaimia käytetään, tulisi järjestelmässä määritellä sekä toteutettavan asiakasohjelman että palvelimen käyttämä merkistö yhdenmukaiseksi, jotta järjestelmien omat merkistöasetukset eivät aiheuttaisi sekaannuksia. Erityyppiset viestit ja niiden käyttötarkoitukset on kuvattu taulukossa 5.
Taulukko 4. Jäljitysohjelmiston sovellustason protokollan perusrakenne.
Viestin tyypin jälkeen tulee varsinainen hyötykuorma (payload) eli viestin sisältö, jonka pituutta ei ole määritelty. Hyötykuorman sisältö ja pituus riippuu viestin tyypistä. Kaikki viestit päättyvät taulukon 4 mukaisesti rivinvaihtomerkkiin, jota esitetään ”\n”- merkinnällä. Rivinvaihdon avulla tiedetään mihin viesti loppuu sekä erotetaan eri sovellustason paketit toisistaan. Hyötykuorman sisältö käyttää XML-tyyppistä (Extensible Markup Language) koodausta. Esimerkkinä taulukossa 6 on asiakasohjelman palvelimelle lähettämän POI-viestin sisältö (Message ID 69). Taulukon esimerkkiviestin pituus on 189 tavua (rivinvaihtomerkki mukaan luettuna). Jos ajatellaan toteutukseen valittua GPRS- yhteyttä ja sen noin 5kt/s käytännön nopeutta, menisi esimerkkiviestin välittämiseen 0.0378s (189/5000). Todellisuudessa aika olisi hieman pidempi, sillä mukaan pitäisi laskea myös kuljetuskerroksen (TCP) otsikon pituus. Lisäksi täytyy huomioida, että GPRS- järjestelmän tarjoama nopeus 5 kt/s saavutetaan vain jatkuvana datavirtana. Pelkästään yhtä pakettia lähetettäessä linkkikerroksella tapahtuvat toimenpiteet voisivat viivästyttää siirtoa merkittävästi.
Taulukossa 5 käytettyjen merkintöjen selitykset:
A = asiakasohjelma (mukaan lukien valvontaohjelma)
P = palvelinohjelma
A → P = viesti asiakasohjelmalta palvelinohjelmalle
P → A = viesti palvelinohjelmalta asiakasohjelmalle
Message ID
Payload ”\n”
